КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Самостійна робота
План Тема. 9 Електричні машини змінного струму Мета: пояснити студентам будову, принцип роботи машин змінного струму
Актуальність: розуміння роботи двигунів змінного струму необхідне для роботи з електричними приладами.
Міжпредметна інтеграція: Хімія, Фізика, Математика.
1.Загальне поняття. Обертове магнітне поле. 2.Будова та принцип дії трифазного асинхронного двигуна 3.Пуск трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим і фазним ротором 4. Втрати і коефіцієнт корисної дії асинхронного двигуна.
Після вивчення теми студент повинен знати:
- будову та принцип дії асинхронного двигуна, - обертове магнітне поле, - втрати і ККД машин змінного струму, - режими роботи трифазного асинхронного двигуна, - однофазний асинхронний двигун, - синхронні машини.
Ключові терміни та поняття: ротор, статор, втрати, ККД, обертове магнітне поле.
Самостійна робота студента: 1.Регулювання швидкості обертання ротора. 2. Синхронні машини. 3.Однофазний АД Література 1. Паначевний Б.І., Свергун Ю.Ф. Загальна електротехніка: теорія та практикум.Каравела,2003 -1- У 1889 р. М. О. Доліво - Добровольський винайшов трифазний асинхронний двигун, який завдяки своїм високим технічним якостям дістав велике поширення в різних галузях техніки. Цей винахід дав змогу широко використати електричну енергію в приводі. Асинхронні машини, як і всі електричні машини, енергетично оборотні, тобто та сама машина може працювати і в режимі електродвигуна, і в режимі генератора. Асинхронні генератори майже не застосовуються, тому розглядати їх не будемо. Принцип дії трифазного асинхронного двигуна грунтується на явищі обертового магнітного поля. Розглянемо процес його утворення. Це поле створюється при пропусканні трифазного змінного струму через три нерухомі котушки, осі,яких лежать в одній площині під кутом 120° одна до одної. Котушки мають бути з'єднані між собою в зірку чи в трикутник.
На рис. 9.1, а літерами А, В, С позначено початки котушок, а літерами X, У, І — їх кінці.
Рис. 9.1. До розгляду процесу утворення обертового магнітного поля в трифазному асинхронному двигуні Кожна з котушок, через яку проходить струм, створює свій магнітний потік спрямований перпендикулярно до площини витків котушки. Хвильову діаграму струмів в окремих котушках зображено на рис. 8.1, б. Нижче, на рис. 8.1, в показано напрями струмів в окремих котушках у різні моменти часу, причому кожну з них подано у вигляді одного витка, а за додатний умовно прийнято напрям струму від початку котушки до її кінця. Розглянемо процес утворення сумарного магнітного потоку Ф в момент часу, коли струм у фазі А генератора дорівнює нулю, через що в котушці А — X, яка живиться від цієї фази, струму немає. У фазі В генератора струм від'ємний, тому в котушці В — У напрям струму зображено від її кінця до початку. У фазі С генератора струм додатний, через що в котушці С — Z напрям струму показано від її початку до кінця. Зобразивши силові лінії магнітного поля, які охоплюють провідники котушки з однаково спрямованими струмами, можна переконатися в тому, що вектор сумарного магнітного потоку буде спрямований вниз. Виконавши ту саму побудову в моменти часу 2, 3, 4 і 5, побачимо, що вектор сумарного магнітного потоку повертається в просторі у напрямі руху годинникової стрілки і за один період струму (між моментами часу 1 і 3) робить один повний оберт. Для зміни напряму обертання магнітного потоку досить поміняти місцями на хвильовій діаграмі два струми. Практично це можна здійснити, помінявши місцями два лінійних проводи на затискачах електродвигуна.
Частота обертання магнітного потоку визначається за відомою формулою n=60f/р, (9.1) де f — частота струму; р — кількість пар полюсів, утворених обмоткою зі струмом. Цю частоту обертання називають синхронними обертами електродвигуна, або обертами його ідеального холостого ходу. -2- На рис. 9.2 показано трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором у розібраному вигляді. Він складається з таких основних вузлів. 1. Статора, до складу якого входять: а)станина 5 з лапами, призначена для закріплення електродвигуна на фундаменті; б)пакет 6 із штампованих, ізольованих один від одного, листів електротехнічної сталі з пазами (рис. 9.3, а) для укладання обмотки статора; в)обмотка 7 з ізольованого мідного дроту, який укладається в пази пакета статора і використовується для створення обертового магнітного поля.
Рис. 9.2. Трифазний асинхронний двигун короткозамкненим ротором у розібраному вигляді Рис. 9.3. Лист пакета статора (а) та короткозамкнена обмотка ротора (б) трифазного асинхронного двигуна
2. Ротора, до складу якого входять: а)пакет 3 зі штампованих, ізольованих один від одного листів електротехнічної сталі; б)вал 1, на якому кріпляться пакет ротора, підшипники, привод в)обмотка у вигляді «білячого колеса» (рис. 9.3 г,б), яка складається з залитих алюмінієм пазів пакета ротора (короткозамкнений ротор)і в якій наводиться струм магнітним полем статора; г)підшипники, які насаджуються на вал і кріпляться зовнішніми обоймами в підшипникових щитах; д)вентилятор, який кріпиться на валу ротора і застосовується для створення всередині електродвигуна потоку повітря з метою охолодження його нагрітих частин. 3. Підшипникових щитів 2 і З, які є опорою для підшипників ротора і прикріплюються за допомогою болтів до станини статора. Як уже було згадано, робота трифазного асинхронного двигуна грунтується на явищі обертового магнітного поля, що виникає при живленні обмотки статора трифазним струмом. Переконатися в існуванні цього поля можна, помістивши в статор стальну кульку, яка після подавання напруги на обмотку статора під впливом обертового магнітного поля котитиметься по стінці розточки статора.
У момент пуску двигуна ротор нерухомий і обертове магнітне поле, перетинаючи його обмотку, індукує в ній e. р. с. і струм. Струм ротора взаємодіє з обертовим магнітним полем статора, внаслідок чого виникає обертаючий момент, який приводить у рух ротор. Механізм цієї взаємодії пояснює рис. 9.4. На цьому рисунку показано обертове магнітне поле статора в момент часу 2 Напрям силових ліній магнітного поля в цей момент зображено на рис. 9.4 стрілками. Нехай воно обертається в напрямі руху годинникової стрілки. Тоді нерухомі в цей час провідники ротора можна розглядати як такі, що рухаються відносно магнітного поля в напрямі проти руху годинникової стрілки. Застосувавши правило правої руки, знайдемо напрям струму в провідниках ротора. У верхніх провідниках струм буде спрямований «на нас», а в нижніх — «від нас». Для визначення напряму руху провідників ротора застосовуємо правило лівої руки. З рис. 9.4 випливає, що верхні провідники рухатимуться праворуч, а нижні — ліворуч. Пара сил F-F, яка утворилася, обертатиме ротор у напрямі руху годинникової стрілки, тобто в напрямі обертання магнітного поля статора. Обертове магнітне поле статора ніби тягне за собою ротор. Однак частота обертання ротора завжди буде меншою від частоти обертання магнітного поля статора. Якщо припустити, що ротор наздожене магнітне поле статора і частоти їх обертання зрівняються, то силові лінії магнітного поля статора перестануть перетинати обмотку ротора, в ній перестане індукуватися струм і зникне пара сил, яка змушує ротор обертатися. Таким чином, відставання ротора від магнітного поля статора є необхідною умовою роботи трифазного асинхронного двигуна. Явище відставання ротора від обертового магнітного поля статора називається ковзанням. Ковзання залежить від гальмуючого моменту (навантаження) на валу двигуна. Зі збільшенням навантаження оберти ротора зменшуються (ротор загальмовується); швидкість, з якою обертове магнітне поле статора перетинає обмотку ротора, зростає; струм ротора збільшується, а сила його взаємодії з магнітним полем статора підвищується, що спричинює збільшення обертаючого моменту двигуна. Електродвигун переборює зросле навантаження, але оберти-його при цьому знижуються, тобто ковзання зростає. При зменшенні гальмуючого моменту на валу ротора оберти його підвищуються, тобто ковзання двигуна зменшується.
Ковзання позначається літерою 5 і визначається як відношення різниці частот обертання магнітного поля статора п1 і ротора п2 до частоти обертання магнітного поля статора: (9.2) Ковзання часто виражають у процентах, записуючи (9.3) Якщо ротор нерухомий (пуск двигуна), то п2 = 0 і 5 = 1. При холостому ході двигуна частота обертання ротора майже зрівнюється з частотою обертання магнітного поля статора (п2 п1) і ковзання s 0. Таким чином, можна вважати, що ковзання змінюється в межах від 0 до 1 (або від 0 до 100 %). Характерною для двигуна величиною є номінальне ковзання (ковзання при номінальному навантаженні двигуна), яке коливається в межах від 1 до 6 %. -3- Щодо простоти, економічності та зручності в експлуатації трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором не має собі рівних. Недоліком його є те, що при пуску струм в обмотці ротора у кілька разів перевищує номінальне значення Іном . В роторі двигуна створюється потужний магнітний потік, який зменшує сумарний магнітний потік машини. Для підтримки його на попередньому рівні обмотка статора (аналогічно первинній обмотці трансформатора) споживає з мережі підвищений (пусковий) струм Ін = (4,5 -6,5) Іном Цей пусковий струм завдяки своїй короткочасності не є небезпечним для двигуна, але він призводить до короткочасного значного зниження напруги живильної мережі, що може порушити нормальну роботу інших, приєднаних до неї, струмоприймачів.
Рис. 9.6. Схеми для пуску потужних трифазних асинхронних двигунів і короткозамкненим ротором Ступінь цього порушення залежить від потужності джерела живлення та перерізу проводів мережі. Звичайно пуск трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором потужністю до 10—20 кВт не спричинює помітного порушення роботи сусідніх з ними струмоприймачів, тому ці двигуни при пуску вмикають безпосередньо в мережу на повну її напругу. При пуску більш потужних таких двигунів для зменшення пускового струму треба знизити напругу на затискачах двигуна. Для цього є кілька способів. Якщо при даній напрузі мережі обмотки статора повинні бути з'єднані трикутником, то для пуску двигуна можна скористатися схемою перемикання обмотки статора з зірки на трикутник (рис. 9.6, а). Під час пуску перемикач установлюють в положення «Пуск». При цьому обмотка статора з'єднується зіркою, і на кожну фазу її припадає напруга в разів менша від номінальної. Коли двигун розкрутиться, перемикач переводять у положення «Робота». Обмотка статора при цьому з'єднується трикутником, і двигун досягає своїх номінальних обертів. При такому способі пуску пусковий струм двигуна зменшується в три рази. Якщо двигун призначений для роботи зі з'єднанням обмотки статора зіркою, то зниження напруги при пуску здійснюється вмиканням його через реактор Х р (рис. 9.6, б) — додатковий індуктивний опір. Для пуску двигуна спочатку вмикають рубильник - вимикач QS1. При цьому обмотка статора живиться через реактор, який відбирає частину напруги мережі. Після розкручування двигуна вмикають вимикач QS2, що шунтує реактор, і на затискачі двигуна подається повна напруга мережі. Існує також спосіб пуску двигуна через автотрансформатор
Трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором відзначаються малими коливаннями частоти обертання при змінах навантаження, надійністю в роботі, високими значеннями к. к. д. і соз. До недоліків їх, крім великого пускового струму; слід віднести важкість регулювання часто Крім цих двигунів застосовуються трифазні асинхронні двигуни з фазним ротором. Статор 5 такого двигуна (рис. 9.7) нічим не відрізняється від статора двигуна з і короткозамкненим ротором, але ротор 4 побудований інакше: в його пази замість алюмінієвих чи мідних стержнів укладається, трифазна обмотка з ізольованого мідного дроту, яка звичайно з'єднується зіркою, рідше — трикутником. Кінці її наглухо приєднуються до трьох мідних кілець 3 на валу ротора, розміщених на ізолюючій втулці й ізольованих, між собою. На них накладаються міднографітові щітки 2, до яких приєднується пусковий реостат 1. Перед пуском двигуна з коло ротора вводять увесь опір пускового реостата. Двигун починає розкручуватися, і реостат поступово виводять. Наприкінці пуску обмотка ротора буде замкненою накоротко, і дальша робота цього двигуна нічим не відрізняється від роботи двигуна з короткозамкненим ротором. При введенні реостата в коло ротора під час пуску трифазного асинхронного двигуна з фазним ротором опір останнього значно збільшується, струм у його обмотці зменшується, а тому спадає й струм в обмотці статора. Пусковий струм в обмотці статора двигуна перевищує номінальний не більш, як у два рази. Крім того, введення в коло ротора активного опору підвищує обертаючий момент двигуна при пуску. Справді, відповідно до (9.9) обертаючий момент двигуна пропорційний косинусу кута зсуву фаз між струмом і е. р. с. в обмотці ротора (соз). При введенні активного опору пускового реостата кут ф зменшується, а значить, збільшується, через що обертаючий момент двигуна зростає. До позитивних,якостей трифазних асинхронних двигунів з фазним ротором слід віднести великий початковий обертаючий момент, майже постійну частоту обертання при змінах навантаження, менший пусковий струм, ніж у двигунів з короткозамкненим ротором. Недоліки цих двигунів такі: чутливість до коливань напруги мережі;менші значення cos і к. к. д, ніж у двигунів з короткозамкненим ротором низьке значення соs при недовантаженнях. -4- Як і в будь-якій електричній машині, в трифазному асинхронному двигуні є втрати енергії. Внаслідок цього корисна потужність на його валу, менша від тої, яку він забирає з мережі. Втрати, в двигуні поділяються на електричні, механічні та втрати в сталі. До перших належать втрати на нагрівання обмоток статора і ротора. Потужність втрат у обмотці статора рм1=І12R1 в обмотці ротора pм2=I22R2 Загальні втрати на нагрівання цих обмоток Р2=Р1-(рм +рс т+рмех). До втрат у сталі рст належать в основному втрати в металі статора, спричинювані обертовим магнітним полем. Механічні втрати (рмех) складаються з втрат на тертя в підшипниках і втрат на подолання обертовими частинами двигуна опору, створюваного повітрям. Щоб знайти потужність двигуна на валу (Р2), треба від потужності, яка підводиться до двигуна з мережі, відняти втрати в ньому: Р2=Р1-(рм+рст+рмех) (9.11) К. к. д. двигуна визначається відношенням його корисної потужності до потужності, що підводиться з мережі. В процентах його обчислюють за формулою η = На рис. 9.8 зображено залежність к. к. д трифазного асинхронного двигуна від його навантаження. Як випливає з рисунка к. к. д досягає максимального
Рис.9.8. Залежність к. к. д трифазного асинхронного двигуна від його навантаження
тоді, коли навантаження,становить приблизно 75% номінального Приклад 1. Номінальне ковзання трифазного асинхронного двигуна sном= 5 %, кількість пар його полюсів р = 4. Визначити частоту обертання ротора двигуна при частоті струму в мережі f=50 Гц. Частота обертання магнітного поля двигуна nП= = Відповідно до (9.3) ковзання S= Звідки =712,5об/хв
1.Процеси,що відбуваються в роторі асинхронного двигуна. 2.Нормальний режим роботи трифазного асинхронного двигуна. Обертаючий момент. 3.Однофазний асинхронний двигун. Синхронні машини. -1- Ці процеси багато в чому подібні до процесів, які відбуваються в трансформаторі. Обертовий магнітний потік двигуна перетинає обмотку статора, індукуючи в ній е. р. с. Е1 спрямовану проти напруги мережі. Ця е. р. с. аналогічна проти-е. р. с, індукованій сумарним магнітним потоком у первинній обмотці трансформатора. Обертове магнітне поле, перетинаючи обмотку ротора, індукує в ній е. р. с. і створює струм, як і у вторинній обмотці трансформатора. Якщо ротор нерухомий, то швидкість, з якою магнітне поле статора перетинає його обмотку, буде максимальною; тому е. р. с. в обмотці ротора теж максимальна. Коли ротор починає розкручуватися, то швидкість, з якою магнітне поле статора перетинає його обмотку, починає зменшуватись, а з нею зменшується й е. р. с. в обмотці ротора. Доведено, що е. р. с. в обмотці нерухомого ротора Е2 більша від е. р. с. обертового ротора в s разів, де s — ковзання, тобто E2s=E2s (9.4) Частота струму в обмотці ротора змінна, бо вона залежить від частоти обертання магнітного поля статора відносно ротора. Оскільки частота обертання ротора п 2 змінюється залежно від навантаження, при частоті обертання п1 магнітного поля статора останнє відносно ротора обертається з частотою nП= п1 — п2. (9.5) Тоді частота струму в обмотці ротора f2 = рnП / 60 = р (n1— n2)/60. З (9.2) випливає, що n1-n2=n 1 s тому f2=p n1s/60 Відповідно до (9.1) pn1/60=f1 де f1 — частота e. р. с. Е1 яка дорівнює частоті мережі. Тоді тобто частота струму в обмотці ротора дорівнює частоті струму в обмотці статора, помноженій на ковзання. При нерухомому роторі (пуск двигуна) s = 1 і f2 =f1, тобто частота струму в обмотці ротора буде максимальною. При холостому ході, коли s 0, частота струму в обмотці ротора f2 0, хоч практично вона становить близько 1 Гц. Опір кола ротора при різних його обертах також змінюється. Це не стосується активного опору обмотки ротора R2,який залишається незмінним при різній частоті струму в ньому, але повністю стосується індуктивного опору ротора, що залежить від частоти обертання останнього. Індуктивний опір нерухомого ротора Х2 = f1L1 а ротора, який обертається, Х 2s= 2πf2L2 = 2πf1sL2. Тоді Х2s/Х2 = f1s/f1 = s, або Х2$ = Х2 s (9.7) тобто індуктивний опір обертового ротора дорівнює індуктивному опору кола ротора в нерухомому стані, помноженому на ковзання. При нерухомому роторі s = 1 і Х2s, = Х2, тобто індуктивний опір кола ротора має максимальне значення. При холостому ході, коли s 0, індуктивний опір Х2$ має мінімальне значення. Знаючи є. р. с. і опір кола ротора, можна знайти струм у його обмотці I2= де Z 2$ = — повний опір обертового ротора. Отже, I2= При пуску двигуна е. р. с. Е2$ має максимальне значення, що дорівнює е. р. с. Е21 і значить, струм в обмотці ротора, який називається в цьому випадку пусковим, буде максимальним. З розкручуванням двигуна е. р. с. E2s зменшується, і струм в обмотці ротора спадає. -2- Як і в трансформаторі, в трифазному асинхронному двигуні є магнітний потік (обертове магнітне поле), який циркулює по магнітопроводу. Проте опір магнітопроводу тут набагато більший, ніж у трансформаторі, бо на шляху магнітного потоку зустрічається повітряний зазор між ротором і статором, який створює великий опір для магнітного потоку. Щоб його подолати, потрібна значна м. р. с, створювана струмом холостого ходу в обмотці статора. Сила цього струму значно перевищує струм холостого ходу трансформатора і досягає 20—50 % номінального струму двигуна. Оскільки при холостому ході струм в обмотці ротора дуже малий, його м. р. с. можна знехтувати. При навантаженні струм в обмотці ротора зростає і, значить, його м. р. с. збільшується. Сумарний магнітний потік двигуна створюється спільною дією м. р. с. обмоток статора та ротора, залишаючись майже незмінним при коливаннях навантаження. Подібно до того, як у трансформаторі зі збільшенням навантаження зростає струм у первинній обмотці, в двигуні зі зростанням навантаження збільшується струм в обмотці статора. Рівняння м. р. с. для трансформатора дійсне й для двигуна: F=F1+F2 де F — результуюча м. р. с. двигуна в режимі холостого ходу; F1 — м. р. с. обмотки статора; F 2 — м. р. с. обмотки ротора. Причиною виникнення обертаючого моменту двигуна є взаємодія струму в обмотці ротора з магнітним полем статора. Оскільки обмотка ротора має індуктивний опір, струм у ній I2 відставатиме від є. р. с. Е2s на кут 2. Обертаючий момент двигуна пропорційний його корисній (активній) потужності, яка, в свою чергу, пропорційна активній складовій струму в обмотці статора. Через те що потужність кола статора практично дорівнює потужності кола ротора, можна сказати, що обертаючий момент двигуна пропорційний також активній потужності ротора, тобто активній складовій струму в обмотці ротора: М= с ФI2 (9.8) Звичайно напруга мережі U1 стала, тому і пропорційний їй магнітний потік Ф теж буде сталим. Отже, М=І2 =I2a (9.9) тобто обертаючий момент двигуна пропорційний активній складовій струму в обмотці ротора.
Рис. 9.5 Залежність обертаючого момента трифазного асинхронного двигуна від ковзання Як показують дослідження М=U12 (9.10) тобто, обертаючий момент двигуна пропорційний квадрату напруги мережі. Невелике зниження цієї напруги призводить до значного зменшення обертаючого момента двигуна. З (9.8) випливає, що обертаючий момент двигуна не є сталою величиною, а залежить від ковзання. Справді, струм І2 залежить від е. р. с. Е2s , яка змінюється зі зміною частоти обертання двигуна (а значить, і ковзання). Значення соs 2 залежить від індуктивного опору кола ротора, який теж змінюється зі зміною ковзання. Отже, обертаючий момент двигуна залежить від ковзання. Криву цієї залежності зображено на рис. 9.5. При пуску двигуна ковзання s=1. Цьому ковзанню відповідає пусковий момент МП З розкручуванням двигуна частота струму в обмотці ротора й індуктивний опір його зменшуються, а значить, активна складова струму в цій обмотці зростає. Відповідно до (9.9) це спричинює збільшення обертаючого моменту двигуна до максимального значення Мmax. Відношення Мmах до номінального обертаючого моменту Мном, яке називається коефіцієнтом перевантажувальної здатності двигуна, коливається в межах від 1,5 до 2,5.Однак при дальшому розкручуванні двигуна обертаючий момент різко зменшується. При ковзанні s = 0 він теж знижується до нуля. -3- Останнім часом однофазні асинхронні двигуни стали широко застосовуватися в побутових приладах (електропрогравачі, холодильники); медичній апаратурі, невеликих вентиляторах і в деяких інших випадках. Оскільки техніко-економічні показники цих двигунів нижчі від трифазних, промисловість випускає їх тільки невеликої потужності: від 1 Вт і більше (серія УАД), до 400 Вт (серія АВЕ), до 600 Вт (серія АОЛВ). Більшої потужності, ніж 2 кВт, ці двигуни не виготовляються. На рис. 9.9, а показано будову однофазного асинхронного двигуна. Він складається зі статора з пазами, виготовленого з листової електротехнічної сталі. В пази закладається однофазна обмотка. Ротор короткозамкнений. При проходженні через обмотку статора однофазного струму виникає пульсуючий магнітний потік Фм (його лінії зображено на рис. 9.9,а)
Риc. 9.9. До розгляду однофазного асинхронного двигуна Цей потік можна розкласти на два потоки Фм/2, що обертаються в різні боки (рис. 9.9, б - д) Порівнюючи між собою окремі діаграми на рис. 9.9, б- д, можна побачити, що в довільний момент часу два обертові магнітні потоки Фм/2 створюють пульсуючий магнітний потік Фм, нерухомий в просторі, який має свої додатні та від'ємні максимуми, а також нульові значення. Магнітні потоки Фм/2, що обертаються в різних напрямах, індукують в обмотці ротора струми, які, взаємодіючи цими потоками, створюють два обертаючих моменти однакового значення, спрямовані назустріч один одному. Внаслідок цього сумарний обертаючий момент (пусковий) дорівнюватиме нулю, і ротор двигуна буде нерухомим. Якщо за допомогою якоїсь сторонньої сили дати поштовх ротору в певному напрямі, то обертовий магнітний потік, який має той же напрям обертання, що й спричинений поштовхом напрям обертання ротора, створить момент, який обертатиме ротор теж у цьому напрямі. Він буде відносно значним. Це пояснюється тим, що частота струму в обмотці ротора, спричинена цим потоком, буде відносно мала і визначатиметься різницею частот обертання магнітного потоку й ротора. Отже, індуктивний опір ротора також буде відносно малим, що випливає з (4.23), а значить, струм в обмотці ротора і обертаючий момент двигуна — відносно великими. У той же час другий обертовий магнітний потік індукуватиме в обмотці ротора струм вищої частоти, ніж перший, бо він залежить від сумарної частоти обертання цього, магнітного потоку й ротора. (Магнітний потік і ротор обертаються в різних напрямах.) Індуктивний опір ротора стане великим, а струм в його обмотці та обертаючий момент двигуна, створений цим потоком, будуть дуже малі. Внаслідок цього ротор обертатиметься в напрямі його поштовху й нестиме корисне навантаження. Первинний поштовх ротора створюється спеціально пусковою обмоткою двигуна або з цією метою використовують двигун, який має розщеплені полюси. В обох випадках у двигунах на час пуску створюється обертове магнітне поле, що розкручує ротор подібно до пуску трифазного асинхронного двигуна. Синхронні — це такі електричні машини, в яких частота обертання, ротора завжди дорівнює частоті обертання обертового магнітного поля статора й точно відповідає частоті струму в мережі, до якої приєднано їх. Синхронна машина, як і всі електричні машини, оборотна, тобто може працювати як у режимі генератора, так і в режимі двигуна. Обидва ці режими повноцінні і мають велике поширення в техніці. Працюючи в режимі генератора, синхронна машина є джерелом є. р. с. постійної частоти, для чого первинний двигун повинен мати постійну частоту обертання п. Частота струму на підставі (8.1) визначається так: f = pn/60. Працюючи в режимі двигуна, синхронна машина має точно визначену частоту обертання, якщо вона живиться змінним струмом постійної частоти. При цьому частоту, обертання двигуна можна обчислити за формулою (8.1). Розглянемо спочатку синхронний генератор. Його робота грунтується на явищі електромагнітної індукції, яке полягає в тому, що при перетині провідника магнітним полем в ньому індукується е. р. с, причому байдуже, що саме рухається — провідник або поле. Ту частину генератора, яка створює магнітний потік, називають індуктором, а ту, що має обмотку, в якій індукується змінна е. р. с,— якорем. Синхронні генератори бувають двох типів: з нерухомим індуктором і обертовим якорем та з обертовим індуктором і нерухомим якорем. Генератори першого типу виготовляють невеликої потужності та невисокої напруги. Всі великі сучасні синхронні генератори випускають з обертовим індуктором і нерухомим якорем. Схему синхронного генератора з нерухомим індуктором і обертовим якорем показано на рис. 9.1. Індуктор цього генератора складається з двох пар нерухомих полюсів, на які надіто котушки, що утворюють обмотку збудження. Остання живиться від стороннього джерела постійного струму. Таким джерелом є невеликий генератор постійного струму, який називається збудником і розміщений на одному валу з якорем синхронного генератора, чи напівпровідниковий випрямляч змінного струму. Полюси створюють магнітний потік Ф, який, перетинаючи витки трифазної обмотки якоря, індукує в ній трифазну е. р. с. Остання знімається з якоря за допомогою трьох щіток, що лежать на трьох мідних кільцях, які обертаються разом з якорем. До цих кілець приєднуються кінці трифазної обмотки якоря. Схему синхронного генератора з нерухомим якорем і обертовим індуктором зображено на рис. 9.2. Якір цього генератора нічим не відрізняється від статора трифазного асинхронного двигуна, тобто складається з трифазної обмотки, укладеної в пази нерухомого пакета. Індуктор має дві пари обертових полюсів, на які надіто обмотку збудження. Живлення її здійснюється також від збудника за допомогою щіток і двох мідних кілець, які обертаються разом з індуктором і до яких приєднано кінці обмотки збудження. Полюси створюють магнітний потік Ф, що перетинає трифазну обмотку якоря, індукуючи в ній трифазну е. р. с. Остання знімається з затискачів генератора і подається споживачеві. Залежно від типу первинного двигуна, що застосовується для обертання рухомої частини генератора, синхронні генератори називаються гідрогенераторами (первинний двигун — водяна турбіна), дизель-генераторами (первинний двигун — дизель), двигун-генераторами (первинний двигун — електричний). Установка, яка складається з парової турбіни та синхронного генератора, називається турбогенератором Синхронні генератори є майже єдиним джерелом-змінного струму. Розглянемо тепер будову і принцип дії синхронного двигуна. Для роботи в режимі, двигуна застосовується синхронна машина з нерухомим якорем і обертовим індуктором. Якір її нічим не відрізняється від статора трифазного асинхронного двигуна і теж називається статором. Трифазна обмотка останнього живиться трифазним струмом і створює обертове магнітне поле з полюсами змінної полярності. ... Рис. 9.1. Схема синхронного Рис. 9.2. Схема синхронного генератора з генератора з нерухомим нерухомим якорем і обертовим індуктором індуктором і обертовим якорем Обертовий індуктор, який має полюси з обмоткою, що живиться постійним струмом від збудника, називається ротором двигуна. Коли через обмотку ротора проходить струм збудження, полюси набувають певної полярності. Різнойменні полюси статора й ротора притягаються один до одного. Полюси статора, як зазначено вище, мають змінну полярність, тобто кожний полюс переміщується всередині статора з частотою обертання обертового магнітного поля. Сила взаємного притягання полюсів статора та ротора настільки велика, що полюси статора, переміщуючись, тягнуть за собою полюси ротора, а разом з ними і весь ротор. Однак це притягання не може виникнути між полюсами статора й полюсами нерухомого, хоч і збудженого ротора. З цим пов'язана трудність пуску синхронного двигуна. Для здійснення пуску ротор цього двигуна треба спочатку розкрутити так, щоб його частота обертання наблизилась до номінальної ("підсинхронної"), після чого подати струмвід збудника. Далі двигун працюватиме самостійно, чи, як кажуть, «увійде в синхронізм». Раніше для розкручування ротора синхронного двигуна застосовувався спеціальний двигун невеликої потужності, що ускладнювало установку й дорожчало її. Тепер у полюсні наконечники магнітів ротора укладають-мідні стержні, кінці яких з кожного боку ротора об'єднуються мідними кільцевими шинами, і наслідок чого утворюється пускова короткозамкнена обмотка двигуна. Його пуск відбувається так само, як і трифазного асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. При нормальній роботі синхронного двигуна частота обертання ротора дорівнює частоті обертання магнітного поля статора, тобто короткозамкнена обмотка ротора не перетинається магнітним полем статора, і струм у ній відсутній. Недоліком такого пуску синхронною двигуна є великий пусковий струм, який майже, в сім разів перевищує номінальне значення. Цінною якістю синхронного двигуна є його здатність виробляти та віддавати в мережу ємнісний струм, потрібний для поліпшення коефіцієнта потужності (соз). Для цього струм збудження двигуна повинен бути досить великим. Синхронний двигун у цьому випадку працює як конденсатор і називається синхронним компенсатором. Двигун може працювати не тільки як компенсатор, а й нести одночасно корисне навантаження. До переваг синхронного двигуна належать постійна частота обертання при різних навантаженнях, високе значення соз, можливість поліпшення соз в мережі. Недоліки двигуна такі: складність пуску, потреба в струмах двох родів — змінного та постійному; зупинка при перевантаженні («випадіння з синхронізму») Синхронні двигуни застосовуються в стаціонарних установках, де потрібні значні потужності приводного двигуна і сталість частоти його обертання. Сюди належать потужні насоси, компресори, вентилятори, двигуни-генератори та інші механізми. Запитання для самоперевірки 1. Які електричні машини називаються синхронними? 2. Який принцип дії синхронного генератора? 3. Яке призначення збудника в синхронній машині? 4. Який принцип дії синхронного двигуна? б. Чому в синхронному двигуні немає ковзання? -в. Які будова й призначення короткозамкненої обмотки в синхронному двигуні? 7. Що таке синхронний компенсатор і яке його призначення? 8. Які переваги та недоліки синхронного двигуна?
Запитання для самоперевірки 1. Які причини великого поширення трифазних асинхронних двигунів? 2. Як можна створити обертове магнітне поле? 3. Як змінити напрям обертання обертового магнітного поля? 4. З яких основних частин складається трифазний асинхронний двигун? б. Який принцип дії трифазного асинхронного двигуна? 6. Що таке ковзання? 7. У чому полягає подібність трансформатора та трифазного асинхронного двигуна? 8. Як залежить частота струму в обмотці ротора трифазного асинхронного двигуна від ковзання? 9. Як залежить індуктивний опір ротора трифазного асинхронного двигуна від ковзання? 10. Від чого залежить обертаючий момент трифазного асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором? 11. Як впливає напруга мережі на обертаючий момент трифазного асинхронного двигуна? 12. Як залежить обертаючий момент трифазного асинхронного двигуна від ковзання? 13. Як побудований трифазний асинхронний двигун з фазним ротором? 14. Які правила пуску трифазного асинхронного двигуна з фазним ротором? 15. Які існують способи обмеження пускового струму трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором? 16. Які позитивні якості й недоліки трифазного асинхронного двигуна з фазним ротором? 17. Від чого залежить к. к. д. трифазного асинхронного двигуна? 18. Який принцип дії однофазного асинхронного двигуна? -7-
Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 1955; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |